CN111399581A - 一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器 - Google Patents

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    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

Abstract

本发明公开了一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，包括基准电压源和模数转换器，所述基准电压源输出的基准电压VREF、温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2传输至模数转换器，所述模数转换器基于基准电压量化温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2，产生数字温度信息；其中，所述温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2在所述基准电压源的同一支路上输出。本发明提供的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，减小了温度传感器的输出误差，提高了温度传感器的精度。

Description

一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器
技术领域
本发明涉及相关温度传感器领域，具体涉及一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器。
背景技术
CMOS图像传感器芯片在近年来不断得到发展，已逐渐取代CCD(Charge-coupledDevice)并广泛应用于各类便携式成像电子设备、安防监控设备、车载电子等。
CMOS图像传感器芯片系统中的诸多电路模块及功能，对温度都非常敏感。因此，需要根据芯片温度的变化实时的改变操作配置。例如，暗电平校正功能使用基于实际温度的算法来控制校正量的输出。在实际应用中，这种温度传感器多为由片外外挂温度传感器来实现，由于与CIS芯片实际上还是有物理位置的差异，会导致实际检测温度会有偏差。并且现有集成在CIS芯片内部的温度传感器大多有一个温度电压VPTAT(与绝对温度成正比的)和一个基准电压VREF进行比较，产生关于温度信息的输出，由于芯片与芯片之间会有工艺的偏差，会导致每颗芯片对应的实际温度传感器存在输出误差，这种误差可以通过内部修调来完成，但是在大批量生产时，鉴于芯片数量庞大，针对每一个芯片单独进行调节所耗费成本太高，这种调节方式几乎是不可能实现的。
正如前文所述，目前产品在进行大批量生产时，还需要具备更高性能，芯片内部的温度传感器必然需要更高的可靠性和精度。如何改善温度传感器的精度成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，减小了温度传感器的输出误差，提高了温度传感器的精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，包括基准电压源和模数转换器，所述基准电压源输出的基准电压VREF、温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2传输至模数转换器，所述模数转换器基于基准电压量化温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2，产生数字温度信息；其中，所述温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2在所述基准电压源的同一支路上输出。
进一步地，所述基准电压源包括温度电压输出支路，所述温度电压输出支路包括第四PMOS管、电阻R3、电阻R4、温度电压VPTAT1输出端口和温度电压VPTAT2输出端口，所述PMOS管的源极连接电源，漏极同时连接温度电压VPTAT1输出端口和电阻R3的一端，电阻R3的另一端同时连接温度电压VPTAT2输出端口和电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地；所述温度电压VPTAT1输出端口和温度电压VPTAT2输出端口分别用于输出温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2。
进一步地，所述温度电压VPTAT1的电压值VPTAT1＝VT×B×R3，所述温度电压VPTAT1的电压值VPTAT2＝VT×B×(R3+R4)；其中，VT表示热电压，B由基准电压源结构决定，R3和R4分别表示电阻R3和电阻R4的电阻值。
进一步地，所述基准电压源包括基准电压输出支路，所述基准电压输出支路包括第三PMOS管、电阻R2、基准电压VREF输出端口和三极管Q3，所述第三PMOS管的源极连接电源，漏极同时连接基准电压VREF输出端口和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接三极管Q3的发射极，所述三极管Q3的集电极和基极接地。
进一步地，基准电压VREF的电压值VREF＝VBE3+VT×B×R2，其中，VBE3表示三极管Q3的发射极电压，B由基准电压源结构决定，R2表示电阻R2的电阻值。
进一步地，所述模数转换器包括斜坡发生器、开关K1、开关K2、比较器和计数器，所述斜坡发生器的输出端连接所述比较器的第一输入端，所述开关K1和开关K2的一端同时连接所述比较器的第二输入端，所述比较器的输出端连接计数器的输入端，所述计数器的输出端输出计数值；其中，所述开关K1的另一端连接温度电压VPTAT1，所述开关K2的另一端连接温度电压VPTAT2，所述斜坡发生器的输入端连接基准电压VREF，且所述基准电压VREF、温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2由同一基准电压源输出，且所述温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2在所述基准电压源的同一支路上输出。
进一步地，所述比较器的第一输入端为正相输入端，所述比较器的第二输入端为反相输入端。
进一步地，所述高精度温度传感器电路进行第一次采样时，所述开关S2断开，所述开关S1导通，所述斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT1时，所述比较器翻转，所述计数器停止计数，计数时间为t1；
所述高精度温度传感器电路进行第二次采样时，所述开关S1断开，所述开关S2导通，所述斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT2时，所述比较器翻转，所述计数器停止计数，计数时间为t2；所述计数器实际输出的计数值为
Figure BDA0002409299580000031
clk为计数器的计数时钟。
进一步地，所述高精度温度传感器电路进行第一次采样时，所述开关S2断开，所述开关S1导通，所述斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT1时，所述比较器翻转，所述计数器停止计数，计数时间为t1；
所述高精度温度传感器电路进行第二次采样时，所述开关S1断开，所述开关S2导通，所述斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT2时，所述比较器翻转，所述计数器停止计数，计数时间为t2；所述计数器实际输出的计数值为
Figure BDA0002409299580000032
clk为计数器的计数时钟。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种适用于双阱CMOS工艺下CIS芯片中的具有CDS(相关双采样)功能的高精度温度传感器，目的在于进一步提高芯片温度检测功能的可靠性和精度，尽可能精确的提供CIS芯片的温度信息，尽可能减小芯片与芯片之间的误差，便于系统更精确的控制芯片。本发明中温度传感器消除了由于工艺偏差带来的三极管误差和固定的模数转换器误差，极大的减小了温度传感器的输出误差；同时，由于做了两次相关的采样，能减掉极低频率的1/f噪声，进一步提高温度传感器的噪声性能。
附图说明
附图1是本发明基本结构示意图；
附图2为是实施例1现有技术中基准电压源的结构示意图；
附图3为实施例1本发明中基准电压源的结构示意图；
附图4为实施例1中温度电压随温度变化示意图；
附图5为实施例2中模数转换器电路结构示意图；
附图6为实施例2中一个周期的时序示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，包括基准电压源和模数转换器，基准电压源输出的基准电压VREF、温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2传输至模数转换器，模数转换器基于基准电压量化温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2，产生数字温度信息；其中，温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2在基准电压源的同一支路上输出。
本发明基准电压源包括温度电压输出支路，温度电压输出支路包括第四PMOS管、电阻R3、电阻R4、温度电压VPTAT1输出端口和温度电压VPTAT2输出端口，PMOS管的源极连接电源，漏极同时连接温度电压VPTAT1输出端口和电阻R3的一端，电阻R3的另一端同时连接温度电压VPTAT2输出端口和电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地；温度电压VPTAT1输出端口和温度电压VPTAT2输出端口分别用于输出温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2。在温度电压输出支路上，温度电压VPTAT1的电压值VPTAT1＝VT×B×R3，温度电压VPTAT1的电压值VPTAT2＝VT×B×(R3+R4)；其中，VT表示热电压，B由基准电压源结构决定，R3和R4分别表示电阻R3和电阻R4的电阻值。
本发明中基准电压源包括基准电压输出支路，基准电压输出支路包括第三PMOS管、电阻R2、基准电压VREF输出端口和三极管Q3，第三PMOS管的源极连接电源，漏极同时连接基准电压VREF输出端口和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接三极管Q3的发射极，三极管Q3的集电极和基极接地。在基准电压输出支路上，基准电压VREF的电压值VREF＝VBE3+VT×B×R2，其中，VBE3表示三极管Q3的发射极电压，B由基准电压源结构决定，R2表示电阻R2的电阻值。
以下通过其中一种基准电压源结构以及其中一种模数转换器结构对本发明高精度温度传感器结构进行详细说明：
实施例1
如附图2所示，为现有技术中一般结构的基准电压源，在诸多书籍和文献中都对此基础结构有相关说明，这里不再对其工作原理进行过多赘述，直接给出基准电压VREF一阶表达式为
Figure BDA0002409299580000051
其中，VREF为基准电压值，VBE3为三极管Q3的发射极电压，R1，R2为电阻R1和电阻R2对应的电阻值，VT为热电压，N为三极管Q1与三极管Q2数量比值。上述表达式中，实际上是使用一负温和正温特性电压叠加，来产生近似零温度系数的输出电压。
温度电压VPTAT所在支路上电流及温度电压值分别为：
Figure BDA0002409299580000052
Figure BDA0002409299580000053
其中，IPTAT为对应支路电流值，该电流与绝对温度成正比，VPTAT为输出给模数转换器的电压，该电压与绝对温度成正比。
使用以VREF为基准的单斜模数转换器，对VPTAT进行量化时，其输出结果VOUT可表示为下式：
Figure BDA0002409299580000054
但是，实际上不同芯片，由于工艺的误差，三极管Q3的的发射极电压VBE3会有误差，将该误差表示为VBE,OS，所以VREF需要重新写为
Figure BDA0002409299580000055
并且在模数转换器进行量化时还有量化误差，该误差可分别固定误差和随机误差，其中固定误差使用αΔADC表示，随机误差使用βΔADC表示。固定误差不同，芯片之间值不同。随机误差为模数转换器进行量化动作时的一个随机值。
加上VBE,OS、αΔADC和βΔADC这三个误差，实际输出值可表示为：
Figure BDA0002409299580000056
其中，VBE,OS和αΔADC在不同芯片中误差值不同，是导致不同芯片输出值不同的主要原因。
本发明如附图3所示，温度电压输出支路同时输出温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2，且温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2的输出电压分别为：
Figure BDA0002409299580000061
Figure BDA0002409299580000062
其中，IPTAT为该支路电流，该电流与绝对温度成正比，VPTAT1和VPTAT1均与绝对温度成正比，只是比例不同。
如图4所示，VPTAT1和VPTAT1随着温度的升高而升高。使用模数转换器分别对VPTAT1和VPTAT1进行量化，两次量化的结果分别表示为：
Figure BDA0002409299580000063
Figure BDA0002409299580000064
α1ΔADC和α2ΔADC分别为模数转换器量化温度电压VPTAT1时和量化温度电压VPTAT2时的固定量化误差，β1ΔADC和β2ΔADC分别为模数转换器量化温度电压VPTAT1时和温度电压量化VPTAT2时的随机量化误差，Vout1和Vout2分别表示模数转换器量化温度电压VPTAT1和量化温度电压VPTAT2的输出结果。
使用第二次量化的结果减去第一次量化的结果，由于在同一个芯片α1ΔADC和α2ΔADC相同的，中可得：
Figure BDA0002409299580000065
可以看出三极管误差VBE,OS和固定的模数转换器误差被减掉了，这样得到的输出结果ΔVout可以有效的避免不同芯片输出不同的现象。
实施例2
如附图5所示，本实施例提供的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，其中模数转换器包括斜坡发生器、开关K1、开关K2、比较器和计数器，斜坡发生器的输出端连接比较器的第一输入端，开关K1和开关K2的一端同时连接比较器的第二输入端，比较器的输出端连接计数器的输入端，计数器的输出端输出计数值；其中，开关K1的另一端连接温度电压VPTAT1，开关K2的另一端连接温度电压VPTAT2，斜坡发生器的输入端连接基准电压VREF，且基准电压VREF、温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2由同一基准电压源输出，且温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2在基准电压源的同一支路上输出；具体可以采用实施例1中高精度温度传感器中的基准电压源输出基准电压VREF、温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2，如附图3所示。
如附图5和附图6所示，当高精度温度传感器电路进行第一次采样时，开关S2断开，开关S1导通，斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT1时，比较器翻转，计数器停止计数，计数时间为t1，此次计数为正计数。
当高精度温度传感器电路进行第二次采样时，开关S1断开，开关S2导通，斜坡发生器输出斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT2时，比较器翻转，计数器停止计数，计数时间为t2，本次计数实在第一次计数的基础上进行负计数，那么在整个时序操作完成后，计数器实际输出的计数值为
Figure BDA0002409299580000072
clk为计数器的计数时钟。
值得说明的是，附图6中第一次采样和第二次采样选择的温度电压可以互换，当互换之后：高精度温度传感器电路进行第一次采样时，开关S2断开，开关S1导通，斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT1时，比较器翻转，计数器停止计数，计数时间为t1；高精度温度传感器电路进行第二次采样时，开关S1断开，开关S2导通，斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT2时，比较器翻转，计数器停止计数，计数时间为t2；计数器实际输出的计数值为
Figure BDA0002409299580000071
clk为计数器的计数时钟。
本发明中温度传感器消除了由于工艺偏差带来的三极管误差和固定的模数转换器误差，极大的减小了温度传感器的输出误差；同时，由于做了两次相关的采样，能减掉极低频率的1/f噪声，进一步提高温度传感器的噪声性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，其特征在于，包括基准电压源和模数转换器，所述基准电压源输出的基准电压VREF、温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2传输至模数转换器，所述模数转换器基于基准电压量化温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2，产生数字温度信息；其中，所述温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2在所述基准电压源的同一支路上输出。
2.根据权利要求1所述的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，其特征在于，所述基准电压源包括温度电压输出支路，所述温度电压输出支路包括第四PMOS管、电阻R3、电阻R4、温度电压VPTAT1输出端口和温度电压VPTAT2输出端口，所述PMOS管的源极连接电源，漏极同时连接温度电压VPTAT1输出端口和电阻R3的一端，电阻R3的另一端同时连接温度电压VPTAT2输出端口和电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地；所述温度电压VPTAT1输出端口和温度电压VPTAT2输出端口分别用于输出温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2。
3.根据权利要求2所述的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，其特征在于，所述温度电压VPTAT1的电压值VPTAT1＝VT×B×R3，所述温度电压VPTAT1的电压值VPTAT2＝VT×B×(R3+R4)；其中，VT表示热电压，B由基准电压源结构决定，R3和R4分别表示电阻R3和电阻R4的电阻值。
4.根据权利要求2所的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，其特征在于，所述基准电压源包括基准电压输出支路，所述基准电压输出支路包括第三PMOS管、电阻R2、基准电压VREF输出端口和三极管Q3，所述第三PMOS管的源极连接电源，漏极同时连接基准电压VREF输出端口和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接三极管Q3的发射极，所述三极管Q3的集电极和基极接地。
5.根据权利要求4所的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，其特征在于，基准电压VREF的电压值VREF＝VBE3+VT×B×R2，其中，VBE3表示三极管Q3的发射极电压，B由基准电压源结构决定，R2表示电阻R2的电阻值。
6.根据权利要求1所述的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，其特征在于，所述模数转换器包括斜坡发生器、开关K1、开关K2、比较器和计数器，所述斜坡发生器的输出端连接所述比较器的第一输入端，所述开关K1和开关K2的一端同时连接所述比较器的第二输入端，所述比较器的输出端连接计数器的输入端，所述计数器的输出端输出计数值；其中，所述开关K1的另一端连接温度电压VPTAT1，所述开关K2的另一端连接温度电压VPTAT2，所述斜坡发生器的输入端连接基准电压VREF，且所述基准电压VREF、温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2由同一基准电压源输出，且所述温度电压VPTAT1和温度电压VPTAT2在所述基准电压源的同一支路上输出。
7.根据权利要求6所述的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，其特征在于，所述比较器的第一输入端为正相输入端，所述比较器的第二输入端为反相输入端。
8.根据权利要求6所述的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，其特征在于，所述高精度温度传感器电路进行第一次采样时，所述开关S1断开，所述开关S2导通，所述斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT2时，所述比较器翻转，所述计数器停止计数，计数时间为t1；
所述高精度温度传感器电路进行第二次采样时，所述开关S2断开，所述开关S1导通，所述斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT1时，所述比较器翻转，所述计数器停止计数，计数时间为t2；所述计数器实际输出的计数值为
Figure FDA0002409299570000021
clk为计数器的计数时钟。
9.根据权利要求6所述的一种具有相关双采样功能的高精度温度传感器，其特征在于，所述高精度温度传感器电路进行第一次采样时，所述开关S2断开，所述开关S1导通，所述斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT1时，所述比较器翻转，所述计数器停止计数，计数时间为t1；
所述高精度温度传感器电路进行第二次采样时，所述开关S1断开，所述开关S2导通，所述斜坡发生器基于基准电压VREF产生斜坡电压VRAMP，当斜坡电压VRAMP减小至等于温度电压VPTAT2时，所述比较器翻转，所述计数器停止计数，计数时间为t2；所述计数器实际输出的计数值为
Figure FDA0002409299570000022
clk为计数器的计数时钟。
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